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LE ONDE

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Presentazione di Fisica. Laura Pia Madera

Introduzione

Definizione

TIPO 2

TIPO 1

Le onde

Un’onda è una perturbazione che si propaga da un punto ad un altro dello spazio con una determinata velocità che dipende dalle caratteristiche del mezzo in cui avviene la propagazione (aria, acqua, il vuoto..) e trasportando una definita quantità di energia, ogni onda ne trasporta un tipo diverso.

Moti ondulatori

Moti ondulatori

Onde trasversali e longitudinali

Se le particelle del mezzo oscillano, sollecitate dalla perturbazione, perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell’onda si parla di onda trasversale.

Se le particelle del mezzo oscillano nella stessa direzione lungo la quale si propaga l’onda, questa è detta onda longitudinale.

Onde radio nello spazio

Moti ondulatori

Il suono e altri tipi

Il suono è costituito da onde elastiche di compressione e di rarefazione che si propagano partendo dalla sorgente sonora. Normalmente tali onde si propagano nell'aria e raggiungono il nostro orecchio, ove vengono trasformate in sensazione sonora. La propagazione dell'onda sonora è dovuta all'elasticità dell'aria, cioè del mezzo elastico presente tra sorgente sonora e orecchio umano. Le molecole dei gas che compongono l'aria per effetto della vibrazione sonora compiono piccolissime oscillazioni rispetto alla loro posizione iniziale; sono queste oscillazioni che determinano le zone di compressione e di rarefazione del mezzo elastico, quindi il propagarsi dell'onda sonora.

Onde piane

Onde sferiche

Onde rettilinee

Onde circolari

Moti ondulatori

Fronti d'onda e raggi

Il fronte d’onda è il luogo geometrico delle particelle che vibrano concordemente, nel senso che in essi lo spostamento dalla posizione di equilibrio, in ogni istante, assume lo stesso valore. A seconda della forma del fronte d’onda, le onde si dividono in onde circolari, onde rettilinee, onde sferiche e onde piane.

Onde periodiche

Definizione

Onde periodiche

Si consideri ora un’onda unidimensionale periodica, ovvero prodotta da una perturbazione ciclica in un punto del mezzo, che assumeremo come origine dell’asse x. Se l’onda si propaga senza attenuazione nel verso positivo dell’asse x, dopo un tempo sufficiente si avrà una perturbazione periodica nello spazio.

Onde periodiche

Proprietà fisiche

• Lunghezza d'onda l : è la distanza tra due punti nello spazio che racchiudono, ad un dato istante di tempo, un'oscillazione completa. La lunghezza d'onda si misura in metri.
• Periodo T: è l'intervallo di tempo impiegato da un'onda a compiere un'oscillazione completa in un punto fisso dello spazio. Il periodo si misura in secondi.

• Frequenza f: conta il numero di oscillazioni compiute nell'unità di tempo. E' l'inverso del periodo T: f=1/T. La frequenza si misura in hertz (Hz): 1Hz = 1 oscillazione al secondo
• Ampiezza: si riferisce al massimo spostamento di un punto dell'onda dalla sua posizione di equilibrio.

Onde periodiche

Velocità di propagazione

v: è lo spazio percorso da un fronte d'onda nell'unità di tempo. La velocità dipende dal mezzo in cui si propagano le onde. Nel vuoto, le onde elettromagnetiche di qualsiasi lunghezza d'onda hanno la stessa velocità, la "velocità della luce nel vuoto" che si indica con la lettera c e vale c = 3 * 10^8 m/s (300 milioni di metri al secondo). La velocità c è una velocità limite: non è possibile trasferire energia ad una velocità superiore a c. Lunghezza d'onda, periodo, velocità e frequenza sono legate dalle relazioni: l = cT = c/f Confronto tra velocità di propagazione di onde meccaniche ed elettromagnetiche Onde sonore: in aria a 20° C 343 m/s in acqua dolce 1 482 m/s nell'acciaio 5 960 m/s

Info

Velocità del Suono Definizione: La velocità del suono è la velocità con cui le onde sonore si propagano attraverso un mezzo. Valori: Nell'aria, la velocità del suono è di circa 331,2 m/s a 0 °C e aumenta a 343,4 m/s a 20 °C. In acqua, la velocità è di circa 1500 m/s, mentre nei solidi è ancora maggiore. Fattori Influenzanti: La velocità del suono dipende dalla densità e dalla temperatura del mezzo. Maggiore è la temperatura, maggiore è la velocità. Eco Definizione: L'eco è il fenomeno acustico che si verifica quando un'onda sonora rimbalza su una superficie e torna all'orecchio dell'ascoltatore. Condizioni: Per percepire un eco, il suono deve viaggiare verso un ostacolo e tornare indietro. La distanza minima per sentire un eco è di circa 17 metri.Applicazioni: Gli echi sono utilizzati in vari contesti, come nella sonaristica per la navigazione e nella medicina per l'ecografia.

Onde periodiche

Velocità del suono ed eco

Onde sonore

Onde sonore

Caratteristiche

Un’onda sonora, nota anche come onda acustica, è un tipo di onda meccanica che si propaga attraverso un mezzo, come aria, acqua o solidi, a causa della vibrazione di un oggetto. È caratterizzato dalla sua capacità di trasportare energia e informazioni attraverso il mezzo, manifestandosi in proprietà fisiche come frequenza, ampiezza, lunghezza d’onda e velocità. Le onde sonore sono fondamentalmente onde longitudinali, dove lo spostamento del mezzo è parallelo alla direzione di propagazione delle onde, portando a regioni di compressione e rarefazione.

L’elemento alla base di ogni suono è l’onda sonora, una forma di energia che si propaga attraverso l’aria o altri mezzi materiali gassosi, solidi o liquidi. Quando un oggetto vibra, ad esempio una corda di chitarra, genera onde sonore che si propagano nell’aria. Queste onde sono caratterizzate da tre proprietà: frequenza, ampiezza e lunghezza d’onda. A parità di velocità di propagazione dell’onda, frequenza e lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali. Inoltre un elemento molto importante, soprattutto per il cosiddetto timbro del suono, è la forma d’onda dell’onda sonora. Ci sono diverse forme d’onda che possono essere prodotte da una sorgente sonora, ad esempio l’onda sinusoidale, l’onda quadrata, l’onda triangolare e molte altre. Ciascuna forma d’onda ha un suo particolare contenuto di armoniche, ovvero suoni più acuti o più gravi rispetto alla nota fondamentale prodotta dalla sorgente sonora. Ad esempio, l’onda sinusoidale ha solo la frequenza fondamentale, mentre le altre forme d’onda hanno anche armoniche di frequenza superiore.

Onde sonore

Musica

Info

Nel Sistema internazionale l'intensità acustica si misura in watt al metro quadrato, in simboli W/m2.

L'intensità acustica o sonora è una grandezza fisica definita come il rapporto tra la potenza di un'onda sonora e l'area della superficie che da essa viene attraversata; oppure come l'energia che nell'unità di tempo attraversa l'unità di superficie posta in un punto perpendicolarmente alla direzione di propagazione del suono.

Onde sonore

Intensità di un'onda sonora

L'intensità acustica è legata in modo indiretto al volume sonoro, ossia la qualità che distingue i suoni in deboli da quelli forti, grandezza legata alla psicoacustica. L'orecchio umano è in grado di percepire intensità acustiche che variano in un intervallo molto grande (12 ordini di grandezza): si definisce soglia di udibilità il valore I = 10^-12 W/m2 al di sotto del quale non è più possibile percepire alcun rumore, mentre si chiama soglia del dolore il valore I = 1 W/m2 al di sopra del quale si inizia a provare dolore fisico. Vista l'ampia escursione delle intensità acustiche dei suoni udibili, si utilizza convenzionalmente una scala logaritmica (che possiede come punto di riferimento il valore della soglia dell'udibilità) definita livello di intensità acustica (Intensity level, IL), o livello sonoro, spesso misurata in decibel. Essendo l'intensità definita come il rapporto tra la potenza propagata dall'onda e la superficie che essa attraversa, nel caso di onde sferiche l'intensità è definita come: I = P/ 4 π r 2

Onde sonore

Livello d'intensità e decibel

Onde sonore

Universo musicale

Effetto Doppler

Scoperto nel 1842 a Vienna da Christian Doppler, da cui prende il nome, l’effetto Doppler riguarda la percezione della frequenza di una emissione da parte di un osservatore fermo in un determinato punto quando la sorgente della frequenza o del rumore è in movimento. L’effetto Doppler riguarda le onde sonore, che hanno bisogno di un mezzo materiale (l’aria) per propagarsi, e viene percepito come una variazione del tono del suono mentre si allontana o si avvicina alla sorgente; ma riguarda anche le onde elettromagnetiche, che non hanno invece bisogno di nessun mezzo per propagarsi. L’effetto Doppler è importante in vari ambiti come medicina e navigazione, ma soprattutto in astrofisica e cosmologia: nel 1929, proprio grazie all’effetto Doppler, Hubble scoprì l’espansione dell’universo capendo che le galassie si allontanano da noi con una velocità proporzionale alla loro distanza.

Effetto Doppler

Definizione

Sorgente e ricevitore in movimento

Sorgente in movimento e ricevitore fermo

Sorgente ferma e ricevitore in movimento

+ INFO

+ INFO

+ INFO

Effetto Doppler

Vari casi

Onde armoniche

Onde armoniche

Legge delle onde armoniche in un punto fissato

Onde armoniche

Fase iniziale

La fase iniziale è una costante che tiene conto delle condizioni iniziali dell'oscillazione.

y0 = acos (teta)

Onde armoniche

Legge delle onde armoniche in un istante fissato

E' descritta da una funzione cosinusoidale y di x.

y = a cos ⁡ ( 2 π λ x + ϕ 0 )

Onde armoniche

La funzione

Onde armoniche

Derivazione della funzione d'onda

Descrizione grafica della formula precedente.

Sovrapposizione di onde lungo una retta

Esistono due tipi di interferenze: l'interferenza costruttiva e distruttiva.

La situazione è diversa se le onde hanno la stessa frequenza (ovvero la stessa lunghezza d’onda), in tal caso si ha il fenomeno dell’interferenza

Sovrapposizione lungo una retta

Principio di sovrapposizione

Per le onde vale il principio di sovrapposizione: dette y1(x,t) e y2(x,t) due onde, la loro sovrapposizione y(x,t)= y1(x,t)+ y1(x,t) è ancora un’onda ⇒ le singole onde non si disturbano.

L'interferenza distruttiva. Si verifica quando le onde con la stessa ampiezza e frequenza sono in opposizione di fase. In questo caso, la somma algebrica dell'ampiezza delle onde originarie si compensa, dando vita a un'onda risultante di ampiezza inferiore o nulla.

Sovrapposizione lungo una retta

Interferenza costruttiva e distruttiva

L'interferenza costruttiva. Si verifica quando le onde con la stessa ampiezza e frequenza sono in concordanza di fase. In questo caso l'ampiezza dell'onda risultante è pari alla somma dell'ampiezza delle onde originarie. Quindi, produce un'onda risultante di ampiezza maggiore ( onda amplificata ).

Sovrapposizione di due onde armoniche sfasate

Sovrapposizione lungo una retta

Sovrapposizione lungo una retta

I battimenti

I battimenti sono il risultato della sovrapposizione di onde sonore. Questo fenomeno si verifica quando due suoni con frequenze molto simili si sovrappongono, producendo un suono che aumenta e diminuisce in volume a intervalli regolari.Quando due onde sonore di frequenze diverse si sovrappongono, creano un nuovo modello di onda. Questo modello di onda ha punti di interferenza costruttiva (dove le onde si sommano) e di interferenza distruttiva (dove le onde si annullano a vicenda). Questo porta a un suono che sembra pulsare o "battere".

Onde stazionarie

Milestones

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Milestones

Definizione

Le onde stazionarie si formano quando due onde di uguale ampiezza e frequenza si propagano in direzioni opposte lungo un mezzo, come una corda. Queste onde interferiscono tra loro, creando punti di interferenza costruttiva e distruttiva. I punti di interferenza costruttiva sono chiamati ventri (dove l'ampiezza è massima), mentre i punti di interferenza distruttiva sono chiamati nodi (dovel'ampiezza è zero).

La risonanza è un fenomeno fisico che si verifica quando una sollecitazione forza un altro sistema ad oscillare con maggiore ampiezza a una frequenza operativa specifica. Le onde stazionarie sono sempre associate alla risonanza. La risonanza può essere identificata da un evidente aumento dell'ampiezza delle oscillazioni risultanti.

Il moto dell'altalena è un esempio di risonanza, un fenomeno generale che riguarda tutti i sistemi oscillanti. Questi sistemi hanno una o più frequenze caratteristiche, dette frequenze naturali, con cui oscillano quando vengono sollecitati e poi lasciati liberi.

Onde stazionarie

Frequenze naturali e risonanza

Quando un onda viaggia lungo una corda e raggiunge un estremità, può riflettersi in due modi principali: 1. Estremità Fissa: Se l'estremità della corda è fissata, l'onda riflessa sarà invertita di fase (cioè, se l'onda incidente ha un picco, l'onda riflessa avrà un avvallamento e viceversa). 2. Estremità Libera: Se l'estremità della corda è libera di muoversi, l'onda riflessa non sarà invertita di fase (cioè, se l'onda incidente ha un picco, anche l'onda riflessa avrà un picco).

Onde stazionarie

Riflessione di un'onda all'estremità di una corda

Onde Stazionarie:Le onde stazionarie si formano quando due onde di uguale ampiezza e frequenza si propagano in direzioni opposte lungo un mezzo, come una corda. Queste onde interferiscono tra loro, creando punti di interferenza costruttiva e distruttiva. I punti di interferenza costruttiva sono chiamati ventri (dove l'ampiezza è massima), mentre i punti di interferenza distruttiva sono chiamati nodi (dove l'ampiezza è zero). Riflessone di un'Onda all'Estremità di una Corda Quando un'onda viaggia lungo una corda e raggiunge un'estremità, può riflettersi in due modi principali: Estremità Fissa: Se l'estremità della corda è fissata, l'onda riflessa sarà invertita di fase (cioè, se l'onda incidente ha un picco, l'onda riflessa avrà un avvallamento e viceversa). Estremità Libera: Se l'estremità della corda è libera di muoversi, l'onda riflessa non sarà invertita di fase (cioè, se l'onda incidente ha un picco, anche l'onda riflessa avrà un picco). Formazione di Onde Stazionarie Consideriamo una corda di lunghezza $$ L $$ con entrambe le estremità fissate. Le onde stazionarie si formano quando la lunghezza della corda è un multiplo intero di metà lunghezza d'onda dell'onda che si propaga lungo la corda. La condizione per la formazione di onde stazionarie è: $$ L = n \frac{\lambda}{2} $$ dove: $$ L $$ è la lunghezza della corda $$ \lambda $$ è la lunghezza d'onda $$ n $$ è un numero intero (1, 2, 3, ...) Frequenza delle Onde Stazionarie La frequenza delle onde stazionarie è data da: $$ f_n = \frac{n v}{2 L} $$ dove: $$ f_n $$ è la frequenza della $$ n $$-esima armonica $$ v $$ è la velocità di propagazione dell'onda lungo la corda $$ L $$ è la lunghezza della corda $$ n $$ è un numero intero (1, 2, 3, ...) Esempio Supponiamo di avere una corda di lunghezza $$ L = 1 \, \text{m} $$ e una velocità di propagazione dell'onda $$ v = 10 \, \text{m/s} $$. Prima Armonica (n = 1): Lunghezza d'onda: $$ \lambda_1 = 2L = 2 \times 1 \, \text{m} = 2 \, \text{m} $$ Frequenza: $$ f_1 = \frac{1 \times 10 \, \text{m/s}}{2 \times 1 \, \text{m}} = 5 \, \text{Hz} $$ Seconda Armonica (n = 2): Lunghezza d'onda: $$ \lambda_2 = L = 1 \, \text{m} $$ Frequenza: $$ f_2 = \frac{2 \times 10 \, \text{m/s}}{2 \times 1 \, \text{m}} = 10 \, \text{Hz} $$ Terza Armonica (n = 3): Lunghezza d'onda: $$ \lambda_3 = \frac{2L}{3} = \frac{2 \times 1 \, \text{m}}{3} = \frac{2}{3} \, \text{m} $$ Frequenza: $$ f_3 = \frac{3 \times 10 \, \text{m/s}}{2 \times 1 \, \text{m}} = 15 \, \text{Hz} $$ Spero che questa spiegazione ti sia stata utile! Se hai altre domande o hai bisogno di ulteriori chiarimenti, fammi sapere!

Onde stazionarie

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Il secondo, ha tre nodi e due ventri.

Il terzo modo ha 4 nodi e 3 venti

lambda 3= 2L/3;f3= 3v/2L

Lambda 2= L; f2=v/L

lambda 1 = 2L; f1= v/2L

Il primo modo normale ha due nodi alle estremità e un ventre, cioè un punto che oscilla con ampiezza massima, al centro.

Le onde stazionarie più semplici, dette modi normali di oscillazione, hanno profili sinusoidali e variano di moto armonico in funzione del tempo

Onde stazionarie

Onde stazionarie nella corda

Onde stazionarie

Onde stazionarie in una colonna d'aria

Nel caso di una colonna d'aria aperta solo a un estremo la lunghezza d'onda fondamentale è pari a quattro volte la lunghezza della colonna, e possono formarsi solo le armoniche dispari. Nel caso di una colonna aperta a entrambe le estremità, ogni estremità è un antinodo, e la sequenza delle armoniche è identica a quella di una corda.

Interferenza in un piano e nello spazio

Interferenza

La sovrapposizione di due onde circolari

Le onde partono dalle sorgenti con la stessa fase. Per il principio si sovrapposizione le ampiezze delle onde, quando si incontrano, si sommano con il loro segno. Si può osservare i due seguenti casi estremi: Nei punti in cui la differenza Δs delle lunghezze dei percorsi (la differenza delle distanze dalle due sorgenti) è un multiplo intero della lunghezza d'onda λ, le due onde arrivano con la stessa fase. Questo significa che l'interferenza è costruttiva (massima ampiezza). I punti con questa proprietà sono situati sulle curve rosse. Nei punti in cui la differenza Δs delle lunghezze dei percorsi è un multiplo intero dispari di mezza lunghezza d'onda λ, le due onde arrivano in opposizione di fase. Questo significa che l'interferenza è distruttiva (minima ampiezza). I punti con questa proprietà sono situati sulle curve blu.

Le onde emesse da due sorgenti che oscillano in fase arrivano in opposizione di fase nei punti Q per i quali la differenza delle distanze dalle sorgenti è un multiplo dispari di mezza lunghezza d'onda:

Le onde emesse da due sorgenti S, e S, che oscillano in fase arrivano in fase nei punti P per i quali la differenza delle distanze dalle sorgenti è un multiplo intero della lunghezza d'onda:

Condizioni per interferenza costruttiva e distruttiva

Interferenza

Diffrazione

La diffrazione `e il fenomeno per cui le onde “girano” attorno al bordo di un ostacolo quando esso intercetta una parte del fronte d’onda. Nel caso della luce, ad esempio, a causa della diffrazione le zone d’ombra dietro l’ostacolo non sono nettamente distinte dalle zone illuminate. Il fenomeno della diffrazione `e tanto pi`u evidente quanto pi`u le dimensioni dell’ostacolo sono piccole rispetto alla lunghezza d’onda.

Diffrazione

Attraverso una fenditura e attorno a un ostacolo

Le onde sonore si diffrangono attraverso le porte aperte. Grazie a questo fenomeno sentiamo le voci provenienti da una stanza vicina anche se non vediamo le persone che parlano, cioè se tra noi e loro c'è il muro. La voce, infatti, ha lunghezze d'onda dell'ordine del metro, confrontabili con le dimensioni di una porta; quindi, al di là della porta, si propaga in ogni direzione. La diffrazione interessa anche la luce. Poiché, tuttavia, la luce ha lunghezze d'onda molto piccole (minori di un micrometro), osservare la sua diffrazione non è un'esperienza comune: essa avviene solo attorno a ostacoli o attraverso aperture di dimensioni altrettanto piccole.

Diffrazione

Fenomeno di tutte le onde

Doppler non è quindi prodotto dalla diversa lunghezza d'onda delle onde generate dalla sirena in movimento, ma dalla diversa frequenza percepita dal ricevente nel momento in cui, avvicinandosi alla sorgente, attraversa più zone di compressione di quante non ne incontrerebbe stando fermo. Quando il ricevitore si muove con velocità di modulo v verso la sorgente ferma, percorre una distanza vt in un tempo t.

Un tipo di onda: l'ola dei tifosi allo stadio

Si è in presenza di ONDE PIANE se i fronti d’onda sono piani fra loro paralleli. E’ il caso delle onde sferiche che, a grandi distanze dalla sorgente, possono essereconsiderate piane per una limitata regione di spazio. Nello studio delle onde si può visualizzare la propagazione del moto ondulatorio mediante il cosiddetto modello a raggi. Si chiamano raggi dell’onda l’insieme delle semirette uscenti dalla sorgente e perpendicolari al fronte d’onda.

Onde piane

Onde rettilinee

Si è in presenza di ONDE RETTILINEE se i fronti d’onda sono linee parallele. E’ il caso di onde circolari che a grande distanza dalla sorgente possono essere considerate rettilinee.

Un tipo di onda mista: il mare

Le onde generate dal movimento del grano.

c=f \lambda

I diversi tipi di onde elettromagnetiche possono essere classificati in base alla loro lunghezza d'onda o frequenza. Poiché la frequenza di un'onda è inversamente proporzionale alla sua lunghezza d'onda a velocità costante e sappiamo che la velocità della luce è costante, possiamo concludere che all'aumentare della lunghezza d'onda di un'onda elettromagnetica, la sua frequenza diminuisce. Questa relazione tra la frequenza e la lunghezza d'onda di un'onda elettromagnetica è sintetizzata in questa equazione:

Onda elettromagnetica

L'onda elettromagnetica è una perturbazione di natura simultaneamente elettrica e magnetica che si propaga nello spazio e che può trasportare energia da un punto all'altro

• Curiosità

La radiazione elettromagnetica può anche far sì che alcuni materiali, come i metalli, rilascino elettroni quando la radiazione viene irradiata sulla loro superficie. Si tratta di un effetto che può essere spiegato tramite la fisica quantistica ed è chiamato effetto fotoelettrico.

Onde sferiche

Si è in presenza di ONDE SFERICHE se i fronti d’onda sono superfici sferiche. E’ il caso delle onde sonore prodotte da una piccola sorgente in un fluido omogeneo.

A mano a mano che la velocità aumenta, però, occorre sempre più energia per aumentarne ulteriormente la velocità, e questo accade perché sempre più energia si trasforma in massa.

Oltre un secolo fa, Albert Einstein ha dimostrato che l’energia E di un corpo qualsiasi è legata alla sua massa m secondo la famosa equazione E=mc^2, dove “c” è la velocità della luce (299.792,458 km/s). Questa relazione dice, tra l’altro, che energia e massa sono due entità equivalenti, che possono trasformarsi l’una nell’altra. E questo è esattamente ciò che accade quando acceleriamo un oggetto (anche se noi non ce ne accorgiamo): l’energia che gli imprimiamo va in piccolissima parte ad aumentare la sua massa.

In pratica, quanto più ci si avvicina alla velocità della luce, tanto più l’oggetto diventa massiccio e inamovibile. Al 99,9% della velocità della luce, per esempio, un uomo di 80 kg avrebbe una massa di circa 2 tonnellate. Cercare di “spingerlo” per fargli superare la “barriera” della luce avrebbe come unico risultato quello di aumentare la sua massa di tantissimo, lasciandone la velocità praticamente inalterata. Ecco perché la velocità “c” non può essere mai raggiunta.

Si può superare la velocità della luce?

NO! Ce lo dimostra Einstein

Un impianto solare spaziale sarebbe in grado di operare 24 ore su 24, superando la pausa notturna che interrompe la raccolta dell’energia solare a terra, e potrebbe inviare energia al pianeta a costi che diventerebbero via via più convenienti.

Solare spaziale, energia inviata sulla Terra con onde radio: ce l’hanno fatta

Il dispositivo MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment), inviato in orbita lo scorso gennaio, raccoglie energia solare spaziale attraverso due pannelli. Questa energia viene poi convertita in corrente continua e inviata attraverso un raggio di onde radio fino a un ricevitore sul tetto del Gordon and Betty Moore Laboratory of Engineering, a Pasadena. Nel corso dell’esperimento, l’energia ricevuta è stata utilizzata per alimentare due piccoli LED all’interno di MAPLE.

Onde circolari

Si è in presenza di ONDE CIRCOLARI se i fronti d’onda sono delle circonferenze. E’ il caso di delle onde prodotte sulla superficie dell’acqua quando la sorgente è puntiforme.

Anche la voce umana è uno strumento musicale, che sfrutta la fisica del suono per produrre suoni e note specifiche. Possiamo suddividere lo “strumento voce umana” in tre parti principali: le corde vocali, la cavità toracica e la bocca. Le corde vocali sono due lembi tendinei che si trovano nella laringe, all’ingresso della trachea. Quando si parla o si canta, l’aria che esce dai polmoni passa attraverso le corde vocali, che si mettono a vibrare producendo onde sonore. La frequenza del suono prodotto dipende dalla tensione e dalla lunghezza delle corde vocali, mentre l’ampiezza dipende dalla forza con cui l’aria viene espulsa dai polmoni. La cavità toracica è una camera d’aria che amplifica il suono prodotto dalle corde vocali. Quando le corde vocali vibrano, il suono si propaga attraverso la trachea e raggiunge la cavità toracica, che lo amplifica e lo modifica. La forma della cavità toracica può essere modificata grazie all’azione dei muscoli e delle ossa, consentendo di variare la tonalità e il timbro della voce. Infine, la bocca costituisce l’ultimo passaggio del suono prodotto dalla voce umana. La bocca agisce come una sorta di filtro, che modifica la forma d’onda del suono e lo trasforma in suoni più specifici. La forma della bocca può essere modificata muovendo la lingua e le labbra, permettendo di creare suoni diversi come consonanti e vocali.

La voce umana

Le rarefazioni e le compressioni sono simmetriche quindi sia che la persona sia ferma davanti alla sirena sia che sia ferma dietro alla sirena riceverà lo stesso numero di compressioni in un certo intervallo di tempo, cioè sentirà un suono con la stessa frequenza.

Fs = Fr

Quando la sorgente è ferma, l'aria è ferma e il ricevitore è fermo il ricevente percepisce un suono che ha una frequenza uguale alla frequenza della sorgente:

Davanti all'auto le compressioni risultano più vicine, più frequenti e quindi si ha una diminuzione della lunghezza d'onda. Il motivo si spiega in modo molto semplice: l'auto percorre un certo spazio nella direzione di propagazione dell'onda, perciò "si avvicina" alla compressione appena emessa. Se la persona è davanti all'auto in avvicinamento, essa riceverà un numero di compressioni maggiore di quando la sorgente era ferma e in termini di percezione sentirà un suono più acuto (ha frequenza maggiore). Se la persona è dietro all'auto che si sta allontanando, essa percepirà meno compressioni quindi la frequenza sarà minore e il suono più grave, questo perché l'auto allontanandosi si lascia indietro le compressioni emesse e percorre un certo spazio nell'intervallo tra una compressione e la successiva. Quindi se la sirena emette una compressione al tempo t, la seconda compressione verrà emessa dopo un tempo pari al periodo T. La distanza tra le due compressioni è la lunghezza d'onda (della sorgente ferma). Quando l'auto si muove con velocità v si ha che nel tempo T ha percorso uno spazio pari a VT.